10289

16.1.Свойства сходящихся последовательностей. Определение предела последовательности не даёт способа его нахождения. Поэтому мы сейчас изучим основные свойства сходящихся последовательностей, которые значительно упростят задачу нахождения пределов.

1. Если последовательность имеет предел, то он единственный.

Действительно, если предположить обратное, т.е. существуют два предела a1 и a2 , и взять непересекающиеся -окрестности этих точек (см. рис. 16.1),

то, начиная с некоторого номера, все члены последовательности должны одновременно находиться в обеих -окрестностях, что невозможно.

Рис. 16.1

2. Сходящаяся к конечному пределу последовательность –

членовпоследовательности, не входящих в эту окрестность, есть наиболее

Рис. 16.2

3. В неравенствах для членов двух сходящихся последовательностей можно переходить к пределу, т.е.

начиная с некоторого номера N , члены последовательности xn будут находиться в

-окрестности точки a , а члены последовательности yn будут находиться в

-окрестности точки b , т.е.

что противоречит предположению xn yn .

Рис. 16.3

Заметим, что из строгого неравенства для членов последовательности следует, вообще говоря, нестрогое неравенство для их пределов: например,

числа в его десятичном представлении. Предел этой последовательности равен нулю так как

0 n 9 , n n n

т.е. она заключена между двумя последовательностями, имеющими общий предел равный нулю.

3. Предел суммы (разности) двух сходящихся к конечным пределам последовательностей равен сумме (разности) их пределов

lim(xn yn ) a b.

n

111

что и доказывает указанное свойство. Здесь мы применили замечательное неравенство

| x y | | x | | y |,

которое для любого числа слагаемых формулируется так: абсолютная

величина суммы не превосходит суммы абсолютных величин слагаемых.

Докажем это неравенство для двух слагаемых. Сложив очевидные неравенства

| x | x | x |

| y | y | y | ,

получим

(| x | | y |) x y | x | | y | .

Это двойное неравенство эквивалентно доказываемому неравенству.

4. Предел произведения двух сходящихся к конечным пределам последовательностей равен произведению их пределов

lim xn yn ab .

n

Это свойство следует из неравенств

| xn yn ab | | xn yn xnb xnb ab | | xn ( yn b) b(xn a) |

| xn | | yn b | | b | | xn a | M 2 | b | 2 1 .

5. Предел частного двух сходящихся к конечным пределам последовательностей при условии, что предел делителя отличен от нуля, равен частному их пределов

112

Доказательство следует из следующей оценки разности

6. Неубывающая и ограниченная сверху последовательность имеет предел (см. рис.16.4). Невозрастающая и ограниченная снизу

последовательность имеет предел.

1

0.8

0.6

0.4

0.2

Рис. 16.4

Это свойство будем считать интуитивно ясным и поэтому ограничимся его геометрической иллюстрацией и простым примером. Например,

и следствие из свойства 3 всё и доказывают.

113

16.2.Второй замечательный предел.Применим понятие предела

предел при n . Предел этой последовательности оказался числом иррациональным, но настолько важным для математики и её приложений, что получил собственное имя

e 2.718281828459045

По традиции предел

Покажем одну из задач, в которой возникает столь необычный предел. Пусть в банк помещён вклад a0 и по нему выплачивается k % в год. Через год величина вклада с учетом начисленных процентов будет следующей:

Это формула сложных процентов, её название сложилось исторически, а в самой формуле нет ничего «сложного». Однако начисление процентов по этой формуле имеет определённые неудобства: начисление процентов по вкладу производится только в конце года. А если вкладчик потребует свой вклад через полгода или через месяц? Нужно чаще начислять проценты. Так, если проценты начислять ежеквартально, то в конце года величина вклада будет равна

Было замечено, что в этом случае вклад растёт быстрее. Рассмотрим упрощённый пример. Пусть начальный вклад равен 100 р. при 100% годовых. Если процентные деньги прибавлять один раз в конце года, то вклад превратится в 200 р. Если это делать поквартально, то в конце первого квартала вклад будет равен 100(1+0.25)=125 р., через полгода 125(1.25)=156.25 р., а в конце года 244.14 p . А если начисление процентов

производить ещё чаще? Например, при ежедневном начислении процентов каждая денежная единица будет умножаться на величину

При непрерывном начислении процентов, т.е. при n мы получаем

Таким образом, даже при таком «фантастическом» проценте (к =100%) в конце года вклад увеличится приблизительно в 2.7 раза.

16.3. Раскрытие неопределённостей. Приведенные выше свойства пределов последовательностей позволяют находить предел, минуя обращение к его определению. Однако на этом пути возникают трудности, связанные с невозможностью непосредственного применения этих свойств. Поясним на примерах. Пусть требуется найти предел отношения двух последовательностей, сходящихся к бесконечности

n yn

115

Мы не можем непосредственно применить свойство о пределе частного двух последовательностей. Предварительно необходимо преобразовать это выражение к виду, допускающему применение указанных свойств. В связи

степенных функций, является деление того и другого на такую степень n , чтобы неопределенность исчезла. Например,

последовательность yn стремится к . Приведем пример раскрытия такой неопределенности:

где применён предел (16.1).

Заметим, что неопределенность 1 может быть сведена к неопределенности ( 0)путем логарифмирования: сначала находим

117

Лекция 17. Предел функции. Непрерывность

17.1. Предел функции. Понятие предела функции служит для исследования функции в окрестностях точек, в которых непосредственное вычисление значения функции вызывает трудности, а также при больших значениях аргумента (в окрестности бесконечности). Интуитивно, предел функции – это определенное число (или бесконечность), к которому неограниченно приближается последовательность значений функции, когда последовательность значений аргумента стремится к некоторому числу или к бесконечности. Поэтому предел функции определим через уже изученное понятие предела последовательности.

Пределом функции y f (x) , когда x стремится к

число A , если для любой последовательности значений аргумента {xn} , сходящейся к x0 , последовательность соответствующих значений функции yn f (xn ) стремится к A . Это определение как частный случай включает в

сходятся к разным пределам (включая случай, когда один из них не существует), то функция не имеет предела в данной точке. Например, для

функции y | xx | (см. рис. 17.1) не существует предела в точке x0 =0, т.к. для стремящихся к нулю последовательностей xn(1) 1n и xn(2) 1n получим

118

последовательность значений функции стремится к 1, а для любой отрицательной последовательности xn 0 , стремящейся к нулю,

соответствующая последовательность значений функции сходится к -1. Это наводит на мысль определить так называемые односторонние пределы функции, а именно предел слева и предел справа.

Непосредственное вычисление пределов функций осуществляется на основе свойств пределов последовательностей, подробно изложенных в предыдущей лекции. В частности, предел суммы, разности, произведения, частного двух функций равен сумме, разности, произведению, частному их пределов (в случае частного предел знаменателя должен быть отличен от нуля). Эти свойства используются для раскрытия неопределенностей при

119